ES2746566T3 - Double Stator Rotary Electric Machine - Google Patents
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Abstract
Máquina eléctrica giratoria de múltiples estátores (1) que comprende: un estátor interno (10a); un estátor externo (10b); un rotor (11) previsto radialmente entre el estátor interno (10a) y el estátor externo (10b); una distancia de separación interna (δi) entre el rotor (11) y el estátor interno (10a); y una distancia de separación externa (δo) entre el rotor (11) y el estátor externo (10b); en donde un promedio de la distancia de separación interna (δi) es entre 75 y 80 por ciento de un promedio de la distancia de separación externa (δo).Multi-stator rotary electric machine (1) comprising: an internal stator (10a); an external stator (10b); a rotor (11) provided radially between the inner stator (10a) and the outer stator (10b); an internal separation distance (δi) between the rotor (11) and the internal stator (10a); and an external separation distance (δo) between the rotor (11) and the external stator (10b); where an average of the internal separation distance (δi) is between 75 and 80 percent of an average of the external separation distance (δo).
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Máquina eléctrica giratoria de doble estátorDouble Stator Rotary Electric Machine
Campo técnicoTechnical field
La invención se refiere a una máquina eléctrica giratoria de doble estátor. Más en concreto, en realizaciones que aquí se muestran, las distancias medias de separación entre el rotor y los estátores son diferentes para reducir fuerzas radiales sobre el rotor.The invention relates to a double stator rotary electric machine. More specifically, in embodiments shown here, the mean separation distances between the rotor and the stators are different to reduce radial forces on the rotor.
AntecedentesBackground
Las máquinas de doble estátor son máquinas eléctricas giratorias que se han estudiado ampliamente en los últimos 20 años debido tanto a la alta densidad de potencia como a la capacidad de proporcionar un funcionamiento redundante. A menudo se aplican imanes permanentes para proporcionar excitación del rotor en máquinas eléctricas de doble estátor.Double stator machines are rotating electrical machines that have been extensively studied in the past 20 years due to both high power density and the ability to provide redundant operation. Permanent magnets are often applied to provide rotor excitation in double stator electrical machines.
Tal máquina eléctrica de múltiples estátores se describe, por ejemplo, en el documento WO 2016001495, que proporciona un motor electromagnético con flujo radial, destinado en particular a ayudar en la dirección asistida de un vehículo a motor. El motor comprende al menos dos estátores que rodean al menos un rotor, definiéndose un espacio de aire entre cada uno de los estátores y el rotor rodeado.Such a multi-stator electric machine is described, for example, in WO 2016001495, which provides a radial flow electromagnetic motor, intended in particular to assist in the power steering of a motor vehicle. The motor comprises at least two stators surrounding at least one rotor, an air gap being defined between each of the stators and the surrounded rotor.
En FEI ZHAO ET AL: “Dual-stator Interior Permanent Magnet Vernier Machine Having Torque Density and Power Factor Improvement”, ELECTRIC POWER COMPONENTS AND SYSTEMS, (“Máquina Vernier de imán permanente interior de doble estátor que tiene densidad de par y mejora del factor de potencia”, COMPONENTES Y SISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA) vol. 42, n.° 15, 18 de noviembre de 2014 (18 de noviembre de 2014), páginas 1717 1726, se presenta una topología mejorada para una máquina vernier de imán permanente de baja velocidad, denominada máquina vernier de imán permanente interior de doble estátor, para aumentar significativamente la densidad de par y el factor de potencia.At FEI ZHAO ET AL: “Dual-stator Interior Permanent Magnet Vernier Machine Having Torque Density and Power Factor Improvement”, ELECTRIC POWER COMPONENTS AND SYSTEMS, (“Double-stator interior permanent magnet Vernier machine that has torque density and factor improvement power ”, COMPONENTS AND ELECTRICAL ENERGY SYSTEMS) vol. 42, # 15, November 18, 2014 (November 18, 2014), pages 1717-1726, an improved topology for a low speed permanent magnet vernier machine, called the double stator inner permanent magnet vernier machine, is presented , to significantly increase the torque density and power factor.
En las máquinas eléctricas giratorias, cuando existe una asimetría en el espacio (tal como el espacio de aire) entre el rotor y el estátor, las fuerzas se aumentan enormemente a lo largo de una dirección radial de la máquina. La razón de la asimetría puede ser imprecisiones de fabricación de las dimensiones del estátor o del rotor, o desgaste de los cojinetes. Tal fuerza puede ser un gran problema para la máquina y puede causar más daños y fallas en la máquina, y/o un sobredimensionamiento de componentes costoso y que ocupa mucho espacio.In rotating electrical machines, when there is an asymmetry in the space (such as the air gap) between the rotor and the stator, the forces are greatly increased along a radial direction of the machine. The reason for the asymmetry may be manufacturing inaccuracies in the stator or rotor dimensions, or bearing wear. Such force can be a major problem for the machine and can cause more machine damage and failure, and / or costly and space-consuming component oversizing.
Breve descripciónShort description
Es un objeto reducir los efectos negativos debidos a asimetrías en máquinas eléctricas giratorias de múltiples estátores.It is an object to reduce the negative effects due to asymmetries in multi-stator rotating electrical machines.
Según un primer aspecto, se proporciona una máquina eléctrica giratoria de múltiples estátores que comprende: un estátor interno; un estátor externo; un rotor previsto radialmente entre el estátor interno y el estátor externo; una distancia de separación interna entre el rotor y el estátor interno; y una distancia de separación externa entre el rotor y el estátor externo. Un promedio de la distancia de separación interna es entre 75 y 80 por ciento de un promedio de la distancia de separación externa. Al proporcionar una separación interna que es más pequeña que la separación externa, la diferencia en las fuerzas radiales totales de los espacios se compensa, por lo que cualquier asimetría en los espacios se reduce, o incluso se elimina fundamentalmente por las fuerzas opuestas de los dos espacios. Esto reduce las fuerzas perjudiciales en la máquina eléctrica, lo que reduce los requisitos de dimensionamiento y, por tanto, el coste de la máquina eléctrica.According to a first aspect, a multi-stator rotary electric machine is provided comprising: an internal stator; an external stator; a rotor radially provided between the inner stator and the outer stator; an internal separation distance between the rotor and the internal stator; and an external separation distance between the rotor and the external stator. An average of the internal separation distance is between 75 and 80 percent of an average of the external separation distance. By providing an internal separation that is smaller than the external separation, the difference in the total radial forces of the spaces is compensated, so any asymmetry in the spaces is reduced, or even eliminated fundamentally by the opposite forces of the two spaces. This reduces damaging forces on the electrical machine, which reduces sizing requirements and thus the cost of the electrical machine.
La distancia media de separación interna puede cumplir la siguiente ecuación:The average internal separation distance can meet the following equation:
(d(F_tot)) / d5i = 0,(d (F_tot)) / d5i = 0,
donde F_tot representa la fuerza radial total.where F_tot represents the total radial force.
La distancia media de separación externa cumple la siguiente ecuación:The average external separation distance satisfies the following equation:
(d(F_tot)) / d5o = 0,(d (F_tot)) / d5o = 0,
donde F_tot representa la fuerza radial total.where F_tot represents the total radial force.
En general, todos los términos utilizados en las reivindicaciones deben interpretarse de acuerdo con su significado común en el campo de la técnica, a menos que se defina explícitamente lo contrario en este documento. Todas las referencias a “un/uno/el elemento, aparato, componente, medio, etapa, etc.” deben interpretarse de manera amplia como referencia a, al menos, un ejemplo del elemento, aparato, componente, medio, etapa, etc., a menos que se señale explícitamente de otra manera. Las etapas de cualquier método descrito en este documento no tienen que realizarse en el orden exacto descrito, a menos que así se indique explícitamente. In general, all terms used in the claims are to be interpreted in accordance with their common meaning in the technical field, unless explicitly defined otherwise in this document. All references to "a / one / element, apparatus, component, medium, stage, etc." they should be interpreted broadly as reference to at least one example of the element, apparatus, component, medium, stage, etc., unless explicitly stated otherwise. The steps of any method described in this document do not have to be performed in the exact order described, unless explicitly stated.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La invención se describe ahora, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:The invention is now described, by way of example, with reference to the accompanying drawings, in which:
La figura 1 es un diagrama esquemático en sección transversal que ilustra una máquina eléctrica de múltiples estátores según una realización;FIG. 1 is a schematic cross-sectional diagram illustrating a multi-stator electrical machine in accordance with one embodiment;
La figura 2 es una ampliación parcial del diagrama en sección transversal de la figura 1;Figure 2 is a partial enlargement of the cross-section diagram of Figure 1;
La figura 3 es un diagrama esquemático en sección transversal que se centra en el rotor de la máquina eléctrica de múltiples estátores de la figura 1 de acuerdo con una realización;Figure 3 is a schematic cross-sectional diagram that focuses on the rotor of the multi-stator electrical machine of Figure 1 according to one embodiment;
La figura 4 es un gráfico esquemático que ilustra fuerzas radiales en un rotor en las dos situaciones en las que las dos distancias medias de separación son iguales y cuando la distancia media de separación interna es menor que la distancia media de separación externa; yFigure 4 is a schematic graph illustrating radial forces in a rotor in the two situations where the two mean separation distances are equal and when the median internal separation distance is less than the median external separation distance; Y
La figura 5 es un gráfico esquemático que ilustra la fuerza radial total sobre el rotor de la máquina eléctrica de la figura 1 en las dos situaciones diferentes de la figura 4.Figure 5 is a schematic graph illustrating the total radial force on the rotor of the electric machine of figure 1 in the two different situations of figure 4.
Descripción detalladaDetailed description
La invención se describirá a partir de ahora más detalladamente con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestran algunas realizaciones de la invención. Sin embargo, esta invención puede realizarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas en el presente documento; más bien, estas realizaciones se proporcionan a modo de ejemplo para que esta divulgación sea exhaustiva y completa, y comunique completamente el ámbito de aplicación de la invención a los expertos en la materia. Los números iguales se refieren a los mismos elementos en toda la descripción.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which some embodiments of the invention are shown. However, this invention can be accomplished in many different ways and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein; Rather, these embodiments are provided by way of example so that this disclosure is exhaustive and complete, and fully communicates the scope of the invention to those skilled in the art. Equal numbers refer to the same elements throughout the description.
Las realizaciones que se presentan en el presente documento se refieren a máquinas eléctricas giratorias de múltiples estátores (tales como motores y generadores), en donde la distancia de separación interna es menor que la distancia de separación externa. Como se muestra a continuación, esto da como resultado una mejor coincidencia de fuerzas opuestas que aparecen debido a las asimetrías en la distancia de separación interna y externa. Por lo tanto, se reducen fuerzas radiales perjudiciales en el rotor debidas a asimetrías.The embodiments presented herein refer to multi-stator rotating electrical machines (such as motors and generators), wherein the internal separation distance is less than the external separation distance. As shown below, this results in a better match of opposing forces that appear due to asymmetries in the internal and external separation distance. Therefore, detrimental radial forces on the rotor due to asymmetries are reduced.
La figura 1 es un diagrama esquemático en sección transversal que ilustra una máquina eléctrica de múltiples estátores 1 según una realización. La máquina eléctrica 1 puede funcionar como un motor y/o un generador. El diagrama está a lo largo de un plano x-y. La máquina 1 comprende tanto un estátor interno 10a como un estátor externo 10b. Un rotor 11 está previsto radialmente entre el estátor interno 10a y el estátor externo 10b. De ese modo, existe una distancia de separación interna 5i entre el rotor 11 y el estátor interno 10a y una distancia de separación externa 5o entre el rotor 11 y el estátor externo 10b. De manera apreciable, un promedio de la distancia de separación interna 5i está entre 75 y 80 por ciento de un promedio de la distancia de separación externa 5o. Las distancias de las separaciones se miden aquí como distancias radiales. Las separaciones pueden ser espacios de aire; sin embargo, las separaciones podrían contener alternativamente cualquier otro fluido adecuado. Debido a que tiene tanto la separación interna como la separación externa, la máquina eléctrica de múltiples estátores 1 puede estar compuesta de dos máquinas eléctricas. Se proporciona una máquina interna que usa el estátor interno y el rotor y se proporciona una máquina externa que usa el estátor externo y el rotor. Las dos máquinas pueden funcionar en cierto modo de forma independiente, lo que proporciona redundancia, aunque con un rendimiento reducido, por ejemplo, si un estátor fallara.Fig. 1 is a schematic diagram in cross section illustrating a multi-stator electric machine 1 according to one embodiment. Electric machine 1 can operate as a motor and / or a generator. The diagram is along an x-y plane. Machine 1 comprises both an internal stator 10a and an external stator 10b. A rotor 11 is provided radially between the inner stator 10a and the outer stator 10b. Thus, there is an internal separation distance 5i between the rotor 11 and the internal stator 10a and an external separation distance 5o between the rotor 11 and the external stator 10b. Appreciably, an average of the internal separation distance 5i is between 75 and 80 percent of an average of the external separation distance 5o. The distances of the gaps are measured here as radial distances. The separations can be air spaces; however, the separations could alternatively contain any other suitable fluid. Because it has both internal separation and external separation, the multi-stator electric machine 1 can be composed of two electric machines. An internal machine using the internal stator and rotor is provided and an external machine using the external stator and rotor is provided. The two machines can somehow operate independently, providing redundancy, albeit with reduced performance, for example if a stator fails.
Los inventores han descubierto que el intervalo de 75 a 80 es óptimo en muchas máquinas eléctricas giratorias para equilibrar las fuerzas radiales opuestas interna y externa en caso de asimetría. Si el porcentaje es inferior al 75 por ciento, la fuerza radial interna puede dominar y si el porcentaje es superior al 80 por ciento, la fuerza radial externa puede dominar.The inventors have found that the range 75 to 80 is optimal on many rotating electrical machines to balance the opposite radial internal and external forces in the event of asymmetry. If the percentage is less than 75 percent, the internal radial force may dominate, and if the percentage is greater than 80 percent, the external radial force may dominate.
La figura 2 es una ampliación parcial del diagrama en sección transversal de la figura 1. Aquí, se muestran dientes de estátor 16 tanto del estátor interno 10b como del estátor externo 10b, junto con una ranura de estátor 15 resultante, donde se pueden proporcionar devanados de estátor. El rotor 11 comprende imanes permanentes 19 fijados a un yugo de rotor 18.Fig. 2 is a partial enlargement of the cross-section diagram of Fig. 1. Here, stator teeth 16 are shown of both the inner stator 10b and the outer stator 10b, together with a resulting stator groove 15, where windings can be provided stator. The rotor 11 comprises permanent magnets 19 attached to a rotor yoke 18.
La figura 3 es un diagrama esquemático en sección transversal que se centra en el rotor de la máquina eléctrica de múltiples estátores 1 de la figura 1 de acuerdo con una realización. El diagrama está a lo largo del plano x-y.Fig. 3 is a schematic cross-sectional diagram focusing on the rotor of the multi-stator electrical machine 1 of Fig. 1 according to one embodiment. The diagram is along the x-y plane.
El rotor 11 tiene un diámetro interno Ds_i y un diámetro externo Ds_o. Como se explica con más detalle a continuación, hay una fuerza radial interna 20a dirigida hacia el centro de la máquina 1, así como una fuerza radial externa 20b en la dirección opuesta, dirigida en dirección opuesta al centro de la máquina 1.The rotor 11 has an internal diameter Ds_i and an external diameter Ds_o. As explained in more detail below, there is an internal radial force 20a directed towards the center of the machine 1, as well as an external radial force 20b directed in the opposite direction, directed in the opposite direction to the center of the machine 1.
Las fuerzas en el rotor 11 y su relación con las distancias de separación 5i y 5o se explicarán ahora con más detalle con referencias a las figuras 1 a 3. The forces on the rotor 11 and its relation to the separation distances 5i and 5o will now be explained in more detail with reference to Figures 1 to 3.
En máquinas eléctricas convencionales, existen fuerzas a lo largo de las direcciones radiales que atraen al estátor y al rotor entre sí, causadas por la asimetría de la distancia de separación. La razón de esta asimetría se debe en gran parte a errores de fabricación de las dimensiones del estátor o del rotor, o al desgaste de los cojinetes. El valor de esta fuerza se calcula de acuerdo con [1]:In conventional electrical machines, there are forces along the radial directions that draw the stator and rotor to each other, caused by the asymmetry of the separation distance. The reason for this asymmetry is largely due to manufacturing errors in the stator or rotor dimensions, or bearing wear. The value of this force is calculated according to [1]:
donde j 0 es la permeabilidad del aire, Br y Bt son las densidades de flujo radial y tangencial, respectivamente, en función del tiempo y el ángulo radial (y de la distancia de separación como se explica a continuación), Ds es el diámetro mínimo de separación, l es la longitud activa de la máquina de doble estátor, 5 es la distancia de separación, y es la posición angular del rotor en el intervalo de 0 a 2n radianes. A una distancia de separación menor, la densidad de flujo aumenta y, en consecuencia, la fuerza electromagnética radial aumenta en comparación con distancias de separación mayores, y viceversa.where j 0 is the air permeability, Br and Bt are the radial and tangential flux densities, respectively, as a function of time and radial angle (and the separation distance as explained below), Ds is the minimum diameter of separation, l is the active length of the double stator machine, 5 is the separation distance, and is the angular position of the rotor in the range of 0 to 2n radians. At a smaller separation distance, the flux density increases and, consequently, the radial electromagnetic force increases compared to longer separation distances, and vice versa.
En máquinas eléctricas 1 con más de una separación, como se muestra en las figuras 1 y 2, la fuerza radial electromagnética impuesta al cuerpo de rotor es la suma de fuerzas de los estátores interno y externo. En particular, la dirección de la fuerza radial externa desde el estátor externo es opuesta a la fuerza radial interna del estátor interno.In electrical machines 1 with more than one gap, as shown in Figures 1 and 2, the electromagnetic radial force imposed on the rotor body is the sum of the forces of the internal and external stators. In particular, the direction of the external radial force from the external stator is opposite to the internal radial force of the internal stator.
La ecuación [2] presenta la fuerza radial externa 20b fr_o y la ecuación [3] presenta la fuerza radial interna 20a fr_¡. Equation [2] presents the external radial force 20b f r_o and equation [3] presents the internal radial force 20a f r_¡ .
Las direcciones de dos fuerzas radiales individuales 20a, 20b se pueden ver en la figura 3. Considerando el hecho de que Ds_o es mayor que Ds_i, la fuerza total, que es la suma de estas dos fuerzas 20a, 20b, está en la misma dirección que la fuerza procedente del estátor externo, con el valor de fr_o (5o, t, y) - fr_¡ (5, t, y). The directions of two individual radial forces 20a, 20b can be seen in Figure 3. Considering the fact that D s_o is greater than D s_i , the total force, which is the sum of these two forces 20a, 20b, is in the same direction as the force coming from the external stator, with the value of fr_o ( 5o, t, y) - fr_¡ ( 5, t, y).
Una función de optimización puede derivarse de las ecuaciones [2] y [3] para minimizar la fuerza total en función de la distancia de separación externa, la distancia de separación interna, como se presenta en [4].An optimization function can be derived from Equations [2] and [3] to minimize the total force as a function of the external separation distance, the internal separation distance, as presented in [4].
ftot = fr_o (5o, t, y) - fr_¡ (5¡, t, y) = F (5¡, 5 o, Ds_¡, Ds_o, 1) [ 4] ftot = fr_o ( 5o, t, y) - fr_¡ ( 5¡, t, y) = F ( 5¡, 5 o, Ds_¡, Ds_o, 1) [4]
Las funciones de restricción más fundamentales son que los pares de dos máquinas individuales se mantienen igual que los diseños de referencia.The most fundamental constraint functions are that the pairs of two individual machines remain the same as the reference designs.
Ttot = Tr_o (5o ) Tr_¡ (5¡) = Tnorm¡nal [5] Ttot = Tr_o ( 5o) Tr_¡ ( 5¡) = Tnorm¡nal [5]
A partir de [4] y [5], se selecciona un nuevo conjunto de distancias de separación internas y externas 5i, 5o para mantener constante la potencia de salida mientras se reducen las fuerzas electromagnéticas radiales durante una falla de excentricidad.Starting with [4] and [5], a new set of internal and external separation distances 5 i , 5 o is selected to keep output power constant while reducing radial electromagnetic forces during an eccentricity fault.
Una selección óptima de la selección de distancia de separación interna cumpliría la ecuación [6]:An optimal selection for the selection of internal separation distance would satisfy equation [6]:
(d (F_tot)) / d5¡ = 0 [6] ( d ( F_tot)) / d5¡ = 0 [6]
Alternativa o adicionalmente, la selección óptima de la selección de distancia de separación externa cumpliría por tanto la ecuación [7]:Alternatively or additionally, the optimal selection of the external separation distance selection would therefore satisfy equation [7]:
(d (F_tot)) / d5o = 0 [7] ( d ( F_tot)) / d5o = 0 [7]
Si bien es preferible reducir la distancia de separación interna como se explica a continuación, se puede lograr el mismo efecto en fuerzas ajustando la distancia de separación externa. En particular, la distancia media de separación de la máquina externa es mayor que la distancia en la máquina interna. En una realización, 5o = 4 mm y 5i = 2 mm. En otra realización, 5o = 6,5 mm y 5i = 5 mm.While it is preferable to reduce the internal separation distance as explained below, the same effect on forces can be achieved by adjusting the external separation distance. In particular, the average separation distance from the external machine is greater than the distance from the internal machine. In one embodiment, 5 o = 4 mm and 5 i = 2 mm. In another embodiment, 5 o = 6.5 mm and 5 i = 5 mm.
La figura 4 es un gráfico esquemático que ilustra fuerzas radiales en un rotor en las dos situaciones en las que las dos distancias medias de separación son iguales y la distancia media de separación interna es menor que la distancia media de separación externa. Figure 4 is a schematic graph illustrating radial forces in a rotor in the two situations where the two mean separation distances are equal and the mean internal separation distance is less than the mean external separation distance.
El eje vertical representa la fuerza electromagnética radial en Newtons y el eje horizontal representa la posición angular en grados.The vertical axis represents the radial electromagnetic force in Newtons and the horizontal axis represents the angular position in degrees.
Una línea recta discontinua 29 representa la fuerza radial total cuando no hay excentricidad.A dashed straight line 29 represents the total radial force when there is no eccentricity.
Las otras líneas son trazos en la situación asimétrica en la que hay una excentricidad del 50 por ciento. De estas, las líneas continuas 30a, 31a y 32a se refieren a una situación en la que la distancia media de separación interna 5i es (sustancialmente) igual a la distancia media de separación externa 5o. Las líneas punteadas 30b, 31b y 31c se refieren a una situación en la que la distancia media de separación interna 5i es menor que la distancia media de separación externa 5o.The other lines are strokes in the asymmetric situation in which there is a 50 percent eccentricity. Of these, solid lines 30a, 31a, and 32a refer to a situation where the mean internal separation distance 5 i is (substantially) equal to the mean external separation distance 5 o . Dotted lines 30b, 31b and 31c refer to a situation where the mean internal separation distance 5 i is less than the mean external separation distance 5 o .
En concreto, la línea continua más baja 31a representa la fuerza radial interna, la línea continua media 32a representa la fuerza radial externa y la línea continua superior 30a representa la fuerza radial total, todo referente a la situación en la que la distancia media de espacio interno 5i es (sustancialmente) igual a la distancia media de separación externa 5o. Más baja, media y superior, cuando se refiere a las fuerzas de la figura 4, se refiere a la posición relativa de un eje central de la variación sinusoidal, es decir, el nivel medio de cada fuerza.Specifically, the lowest continuous line 31a represents the internal radial force, the middle continuous line 32a represents the external radial force and the upper continuous line 30a represents the total radial force, all referring to the situation in which the average distance of space internal 5 i is (substantially) equal to the average external separation distance 5 o . Lower, middle and upper, when referring to the forces of figure 4, refers to the relative position of a central axis of the sinusoidal variation, that is, the mean level of each force.
Además, la línea punteada más baja 31b representa la fuerza radial interna, la línea punteada media 32b representa la fuerza radial externa y la línea punteada superior 30b representa la fuerza radial total, todo referente a la situación en la que la distancia media de separación interna 5i es menor que la distancia media de separación externa 5o . De manera apreciable, la amplitud de la fuerza radial total 30b es menor para la situación en la que la distancia media de separación interna 5i es menor que la distancia media de separación externa 5o . Esto reduce significativamente la tensión mecánica en componentes de la máquina eléctrica en comparación con la situación en la que la distancia media de separación interna 5i es igual a la distancia media de separación externa 5o.In addition, the lowest dotted line 31b represents the internal radial force, the middle dotted line 32b represents the external radial force, and the top dotted line 30b represents the total radial force, all referring to the situation where the average internal separation distance 5 i is less than the average external separation distance 5 o . Appreciably, the amplitude of the total radial force 30b is less for the situation where the average internal separation distance 5 i is less than the average external separation distance 5 o . This significantly reduces the mechanical stress on components of the electrical machine compared to the situation where the average internal separation distance 5 i is equal to the average external separation distance 5 o .
Hay dos modos de lograr que la distancia media de separación interna 5i sea menor que la distancia media de separación externa 5o. En comparación con una máquina en la que la distancia de separación es la misma, la distancia de separación interna 5i puede reducirse y/o la distancia de separación externa 5o puede aumentarse. Una forma de facilitar el mantenimiento de las dimensiones externas de la máquina es reducir la distancia de separación interna 5i.There are two ways to make the average internal separation distance 5 i less than the average external separation distance 5 o . Compared to a machine where the separation distance is the same, the distance separating internal 5 i can be reduced and / or the external separation distance or 5 can be increased. One way to facilitate the maintenance of the external dimensions of the machine is to reduce the internal separation distance 5 i .
La estructura de rotor de máquina interna es relativamente más rígida en comparación con la máquina externa, donde es más probable que los imanes se alejen del rotor debido a la fuerza centrífuga. Por lo tanto, cualquier capa de protección gruesa (fibra de vidrio, fibra de carbono, etc.) prevista en una máquina en la que la distancia de separación es la misma se puede quitar o reducir en muchos casos para reducir así la separación interna 5i. Además de reducir las fuerzas radiales en una situación de asimetría, esta solución también reduce la cantidad de imanes permanentes que se necesitan para un flujo determinado y un par resultante.The internal machine rotor structure is relatively stiffer compared to the external machine, where the magnets are more likely to move away from the rotor due to centrifugal force. Therefore, any thick layer of protection (fiberglass, carbon fiber, etc.) provided in a machine in which the separation distance is the same can be removed or reduced in many cases, thus reducing internal separation 5 i . In addition to reducing radial forces in an asymmetric situation, this solution also reduces the number of permanent magnets needed for a given flux and resulting torque.
Por ejemplo, aquí se usa un ejemplo de una máquina de doble estátor 5 MW como ilustración. En un diseño en el que la distancia de separación es la misma, la distancia de separación externa es de 6,5 mm para ambas distancias de separación 5o y 5i.For example, an example of a 5 MW double stator machine is used here as an illustration. In a design in which the separation distance is the same, the distance external separation is 6.5 mm for both separation distances and 5 or 5 i.
Cuando la distancia de separación interna se reduce a 5 mm, la eficiencia y el factor de potencia son casi iguales al diseño en el que la distancia de separación es la misma solamente precisando que los imanes pesen aproximadamente el 86 % del diseño en el que la distancia de separación es la misma. Por lo tanto, esta realización no solo proporciona una situación con fuerzas radiales reducidas en una situación asimétrica, sino que el peso del imán también se reduce en un 14 %.When the internal separation distance is reduced to 5 mm, the efficiency and power factor are almost equal to the design in which the separation distance is the same only requiring that the magnets weigh approximately 86% of the design in which the separation distance is the same. Therefore, this embodiment not only provides a situation with reduced radial forces in an asymmetric situation, but the weight of the magnet is also reduced by 14%.
La figura 5 es un gráfico esquemático que ilustra la fuerza radial total en el rotor de la máquina eléctrica de la figura 1 en las dos situaciones diferentes de la figura 4. El eje horizontal representa la posición angular en grados y el eje vertical representa la fuerza radial total en MN.Figure 5 is a schematic graph illustrating the total radial force on the rotor of the electric machine of Figure 1 in the two different situations of Figure 4. The horizontal axis represents the angular position in degrees and the vertical axis represents the force total radial in MN.
La línea continua 40 representa la fuerza radial total cuando la distancia media de separación interna 5i es (sustancialmente) igual a la distancia media de separación externa 5o. La línea discontinua 41 representa la fuerza radial total cuando la distancia media de separación interna 5i es menor que la distancia media de separación externa 5o . Es evidente que la situación en la que la distancia media de separación interna 5i es menor que la distancia media de separación externa 5o, el resultado es un caso en el que el rotor es sometido a una fuerza radial total significativamente menor.Solid line 40 represents the total radial force when the average internal separation distance 5 i is (substantially) equal to the average external separation distance 5 o . The broken line 41 represents the total radial force when the average internal separation distance 5 i is less than the average external separation distance 5 o . It is evident that the situation where the average internal separation distance 5 i is less than the average external separation distance 5 o , the result is a case where the rotor is subjected to a significantly lower total radial force.
Aunque las realizaciones se presentan en el presente documento en el contexto de una máquina de doble estátor, los mismos principios son aplicables para máquinas con tres o más estátores.Although the embodiments are presented herein in the context of a double stator machine, the same principles are applicable for machines with three or more stators.
Anteriormente, la invención se ha descrito principalmente con referencia a algunas realizaciones. Sin embargo, como puede apreciar fácilmente un experto en la materia, son igualmente posibles otras realizaciones distintas de las descritas anteriormente dentro del ámbito de aplicación de la invención, tal como se define en las reivindicaciones de patente adjuntas. Previously, the invention has been described primarily with reference to some embodiments. However, as one skilled in the art can readily appreciate, other embodiments than those described above are equally possible within the scope of the invention, as defined in the accompanying patent claims.
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